趙金煜 尤完

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

0 引言

建筑業(yè)在國民經(jīng)濟中具有支柱產(chǎn)業(yè)、民生產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的地位和作用。我國工程項目管理的發(fā)展正面臨著科技理念、人文理念、綠色理念的挑戰(zhàn)，為了克服傳統(tǒng)建造方式的諸多弊端，必須積極尋求更加高效的建筑產(chǎn)品建造方式的新途徑。把制造業(yè)的精益生產(chǎn)方式引入工程項目建設(shè)領(lǐng)域而形成精益建造體系，以及把BIM 技術(shù)應(yīng)用于精益建造管理的過程，能夠較大幅度地改善傳統(tǒng)建筑業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、定量化和精確度?？梢哉f，以工程項目全生命周期集成管理思想為特征的BIM 技術(shù)為全面實現(xiàn)精益建造目標(biāo)提供了有效的支持平臺。

1 工程項目管理面臨的挑戰(zhàn)

隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步，現(xiàn)代建筑產(chǎn)品日益體現(xiàn)出設(shè)計理念超前、結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜、科技含量高、功能標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)、施工難度大的特點，因而，工程項目建設(shè)過程和工程項目管理面臨著諸多難題和重大挑戰(zhàn)。

1.1 工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量控制難度高

當(dāng)前，越來越多的工程項目由于使用功能和藝術(shù)美感的需要，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難點多。依靠傳統(tǒng)的施工作業(yè)方式與技術(shù)手段，項目實施和質(zhì)量保證的風(fēng)險系數(shù)很高，項目管理者需要掌握更多的技術(shù)、材料、質(zhì)量控制、環(huán)境管理方面的知識，同時對項目管理者的技術(shù)能力也提出了很高的要求。

1.2 項目組成繁雜，成本更難估計

項目的組成內(nèi)容龐雜，材料設(shè)備的采購品種繁多，非標(biāo)準(zhǔn)配件應(yīng)用更多，這種非標(biāo)準(zhǔn)配件是為單一項目設(shè)計的，因此難以進行準(zhǔn)確的成本估價。這種非標(biāo)準(zhǔn)配件的尺寸和結(jié)構(gòu)在施工過程中對于項目進度、質(zhì)量、成本、安全目標(biāo)的控制具有很大的影響。在多數(shù)情況下，這種非標(biāo)準(zhǔn)配件只有應(yīng)用在項目的具體部位上才能發(fā)現(xiàn)是否合適，不合適將造成巨大浪費。這就要求設(shè)計更加精確，對于設(shè)計者的業(yè)務(wù)能力也提出了更高的要求。

1.3 項目參與方眾多，協(xié)同困難大

對于大型項目，項目參與方多，需要溝通的信息量大，涉及的專業(yè)較多，工序立體布局、交叉煩瑣，傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)方式易產(chǎn)生信息傳遞不暢或理解不一致等問題，造成效率低下，延誤工期。因此，需要項目參與各方有一個統(tǒng)一的信息獲取渠道，需要項目管理者具有更高的協(xié)調(diào)管理能力。

為了應(yīng)對建筑業(yè)發(fā)展進程中工程項目管理面臨的挑戰(zhàn)，必須積極探索和尋求更加具有高效率的建筑產(chǎn)品生產(chǎn)和管理方式，其中，精益建造以及BIM 技術(shù)在工程項目建設(shè)過程中的應(yīng)用成為重要的選擇。

2 精益建造方式的發(fā)展

精益建造起源于機械制造業(yè)的“精益生產(chǎn)”方式，精益生產(chǎn)的研究對象是制造業(yè)的流程，是流動的產(chǎn)品在流水生產(chǎn)線上由固定工位的人來從事生產(chǎn)操作;精益建造的研究對象是建筑產(chǎn)品施工過程，是固定的、獨特的建筑工程項目和流動的工序及對應(yīng)的流動狀態(tài)的人所從事的施工操作。

2.1 精益建造思想的形成

精益建造思想是人們對建筑業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在的浪費、拖延、不合格、失控等偏差現(xiàn)象的反思而逐步形成的。例如，美國《經(jīng)濟學(xué)人》對建筑業(yè)施工過程中資源浪費現(xiàn)象的調(diào)研表明，25% ～30%的工序流程是返工工作，30% ～60%的勞動被浪費，10% 的材料被浪費。2006 年，Ekambaram Palaneeswaran 在考察中國香港地區(qū)的建筑工程項目后發(fā)現(xiàn)，僅施工返工造成的直接成本損失就達到了合同額的3.5%，間接成本損失達到1.7%，由于返工造成了10% 的工期進度損失［1］。

更具有復(fù)雜性和不確定性是建筑產(chǎn)品建造過程與工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程相比所具有的顯著差別，因此，不能簡單地將機械制造業(yè)的精益生產(chǎn)直接移植到建筑產(chǎn)品的建造過程，而是要立足工程項目建設(shè)的特點，引入精益生產(chǎn)的基本原理，對工程項目建設(shè)和管理過程進行系統(tǒng)性變革，從而建立效率更高、功能更完善的精益建造管理體系［2］。從這個意義上說，精益建造是以精益思想為指導(dǎo)，改造傳統(tǒng)的工程項目管理方式，重新組合和優(yōu)化設(shè)計項目管理流程，在保證工程質(zhì)量、安全生產(chǎn)的前提下，以最快的進度、最低的成本和最少的環(huán)境污染，實現(xiàn)項目利益相關(guān)者滿意目標(biāo)的新型工程項目管理模式。

丹麥學(xué)者Lauris Koskela 較早地將制造業(yè)的精益生產(chǎn)思想引入到建筑行業(yè)中，提出精益建造概念［3］。Lee 等運用過程分析技術(shù)，系統(tǒng)地識別和量化了建筑產(chǎn)品建造過程中存在的等待、延遲、超量采購、施工損耗、質(zhì)量缺陷返工等各種浪費現(xiàn)象［4］。Ballard 全面、系統(tǒng)地提出和闡述了精益建造的一個重要管理工具——最后計劃者體系(Last Planner System，LPS)［5］。Halpin 等提出采用過程模擬方法對建筑產(chǎn)品建造過程進行改進和過程再造，提高工程項目管理效率［6］。Ballard提出了面向精益設(shè)計、精益供應(yīng)、精益施工及精益交付使用四個階段的精益項目交付系統(tǒng)(Lean Project Delivery System，LPDS)，按照四個階段劃分工程項目交付過程并不意味著階段之間是割裂的，事實上各個階段有部分工作相互重疊［7］。Manfred Breit 等在研究4D 可視化建模時，采用模擬技術(shù)和流程設(shè)計模型，通過集成化方案，優(yōu)化施工工序，有效支撐精益建造的實施［8］。近些年來，國內(nèi)外的研究人員更加關(guān)注信息化技術(shù)在精益建造過程中的應(yīng)用。

2.2 精益建造的實施要求

由于工程項目具有唯一性、復(fù)雜性和不確定性，以及工程項目實施過程具有不可逆性，所以對工程項目不能進行重復(fù)計量，精益建造的核心要求是減少浪費、精細(xì)化管理，主要是通過拉動式準(zhǔn)時化的生產(chǎn)方式實現(xiàn)減少浪費和增加項目價值的目的。為此就要做到以下幾點。

2.2.1 設(shè)計準(zhǔn)確、減少更改

在準(zhǔn)確、充分理解工程項目業(yè)主方真實意圖的基礎(chǔ)上，通過運用并行工程，在設(shè)計階段將業(yè)主、最終用戶、設(shè)計、施工、設(shè)備及材料供應(yīng)、運行維護等各方參與者的要求整合在一起，實現(xiàn)項目信息的參與方共享，達到減少設(shè)計更改的目的。

2.2.2 加強供應(yīng)鏈管理、準(zhǔn)確及時供應(yīng)資源

精益建造以建筑產(chǎn)品的流水施工為主線，按照建造工序流程，通過及時準(zhǔn)確的信息流，協(xié)調(diào)所有供應(yīng)商形成集成供應(yīng)鏈。其關(guān)鍵是通過信息流的準(zhǔn)時傳遞，實現(xiàn)施工生產(chǎn)與供應(yīng)的密切結(jié)合。傳統(tǒng)建造方式是業(yè)主按照自己的需要來推動項目的進行，整個建造過程是通過前道工序來推動后道工序進行，其建造過程因此成為推動式。這樣在建造過程中就需要備好后道工序所需要的物料，為此需要保有一定的庫存量。而庫存的增加對于項目價值的增加并沒有幫助。精益建造是拉動式的生產(chǎn)方式。整個建造過程是從后道工序開始向前道工序倒逼，并且通過計劃期限的縮短，使得計劃體系更加準(zhǔn)確可靠，工作流程更加穩(wěn)定。通過準(zhǔn)確的計劃體系來制訂準(zhǔn)確的資源需求計劃，穩(wěn)定項目資源的供應(yīng)量，甚至實現(xiàn)零庫存。

2.2.3 團隊合作

工程項目建設(shè)是一個多方參與的系統(tǒng)工程。精益建造要求各方協(xié)同一致，圍繞一個共同的目標(biāo)，即提高效率、創(chuàng)造項目價值，這需要參與各方進行團隊協(xié)作，在一個可以共同工作的平臺上，及時交流、溝通和處理項目信息，解決工程項目實施過程中出現(xiàn)的進度、質(zhì)量、費用、安全生產(chǎn)、資源配置、方案優(yōu)化、環(huán)境保護等問題。

從上述要求可以看出，精益建造的實現(xiàn)關(guān)鍵是項目信息的準(zhǔn)確傳遞與處理。

3 BIM 為精益建造提供了技術(shù)平臺

自從Lauri Koskela 在1992 年提出精益建造后，經(jīng)過20 多年的發(fā)展，以生產(chǎn)轉(zhuǎn)換理論、生產(chǎn)流程理論和價值理論為主體內(nèi)容的理論體系取得了很大進步，但在實踐應(yīng)用時卻仍面臨數(shù)據(jù)、信息處理等諸多難題，特別是我國建筑業(yè)在應(yīng)用精益建造的過程中，典型的案例尚較少見。

雖然精益建造是一套比較完美的理論體系，但對項目管理提出了很高的要求，項目相關(guān)人員必須全面了解項目在每個時點的信息，因此信息處理量十分巨大，如果不借助現(xiàn)代信息技術(shù)，難以完成這樣的信息處理。在現(xiàn)實項目管理中，不借助現(xiàn)代信息技術(shù)，項目管理者對于一些簡單的建筑，比如普通的一套房屋，都很難準(zhǔn)確掌握其所需要的物料、工時、人工等必要信息，更不用說現(xiàn)代復(fù)雜建筑了。因此，在施工管理中，項目管理者的經(jīng)驗依然起著主導(dǎo)作用。在這種情況下，精益建造是無法實現(xiàn)其基本目的的，在現(xiàn)實中也很難推廣應(yīng)用。而現(xiàn)代信息技術(shù)與建筑技術(shù)相結(jié)合發(fā)展形成的建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)技術(shù)，為精益建造的有效實施提供了很好的技術(shù)平臺。

3.1 BIM 技術(shù)的特征

BIM 模型基于“可視化”的三維數(shù)字構(gòu)建建筑設(shè)計方案，為開發(fā)商、建筑設(shè)計師、土建與機電工程師、建造師、材料設(shè)備供應(yīng)商、最終用戶等各環(huán)節(jié)的技術(shù)和管理人員提供協(xié)作平臺，幫助他們利用三維數(shù)字模型技術(shù)對工程項目進行設(shè)計、建造及運營管理。BIM 是對工程項目實體與功能特性的數(shù)字化表達，其中集成了工程項目各種相關(guān)信息。一個完善的BIM 模型，能夠在項目全生命周期內(nèi)共享、使用模型信息。BIM 一般具有以下特征。

3.1.1 可視化

對于BIM 來說，可視化是其中的一個固有特性，可視化即“所見所得”的形式。BIM 的工作過程和結(jié)果就是建筑物的實際形狀，加上構(gòu)件的屬性信息和規(guī)則信息。在BIM 的工作環(huán)境里，由于整個過程是可視化的，所以，可視化的形式、結(jié)果能夠為交流和展示提供極大的便利，更為重要的是，工程項目設(shè)計、建造、運營過程中大量的技術(shù)、管理問題，需要進行溝通、研討并最終做出決策，這些都要在可視化的狀態(tài)下進行。

3.1.2 協(xié)調(diào)性

項目參與方較多，各參與方圍繞項目建設(shè)進行協(xié)調(diào)工作。傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)組織方式是項目設(shè)計或者施工過程中遇到問題，即召集參與各方查找原因和解決方案，進行設(shè)計變更。BIM 常用的碰撞檢查功能可以提前發(fā)現(xiàn)問題，使問題在設(shè)計階段就得到解決。

3.1.3 模擬性

模擬性不僅指能模擬設(shè)計出建筑物模型，還指可以模擬無法在真實世界中預(yù)演的事情。在設(shè)計階段，BIM 的最基本優(yōu)勢在于可以對設(shè)計上需要進行驗證的一些部位或過程進行3D 模擬實驗，例如，空間結(jié)構(gòu)性能模擬、裝飾藝術(shù)美感模擬、通風(fēng)采光氣流模擬、緊急疏散防災(zāi)模擬、熱能傳導(dǎo)效率模擬等;在招投標(biāo)階段可以進行4D 模擬(基于3D 模型加項目進度控制)、技術(shù)與經(jīng)濟方案模擬，直接生成合同結(jié)構(gòu)、項目范圍和項目目標(biāo);在施工階段，可以進行5D 模擬(基于4D模型加項目成本控制)，根據(jù)施工組織設(shè)計模擬實際施工部署、工序立體交叉作業(yè)、施工安全防護，從而確定經(jīng)濟合理、安全高效的施工方案，還可以實現(xiàn)工程項目成本的實時控制，即工期推進與成本控制是同步的;在運維階段，可以協(xié)助查找產(chǎn)生問題的部位，模擬維修過程，模擬緊急情況下應(yīng)急預(yù)案的有效性，例如，火災(zāi)、地震發(fā)生時人員疏散模擬等。

3.1.4 優(yōu)化性

事實上，工程項目建設(shè)的全生命周期是一個不斷優(yōu)化的過程，并且可研、設(shè)計、施工、運維每一個階段都可能存在不斷優(yōu)化的空間。當(dāng)然，項目全過程優(yōu)化可以通過多種途徑實現(xiàn)。但借助于BIM 基礎(chǔ)上的優(yōu)化更簡捷、更精確。一般而言，項目全過程優(yōu)化受到三大要素的約束，即信息準(zhǔn)確與否、復(fù)雜程度和必要時間。只有準(zhǔn)確的信息才能得出精確的優(yōu)化結(jié)果。在工程項目實施的各個階段，BIM 模型提供了工程項目的真實信息，包括組織信息、技術(shù)信息、標(biāo)準(zhǔn)信息、經(jīng)濟信息、管理信息、法規(guī)信息。由于項目技術(shù)與管理人員本身能力的限制，無法掌握具有較高技術(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程的海量信息，必須借助外部現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備的幫助。同時隨著現(xiàn)代建筑產(chǎn)品及其建造過程的復(fù)雜程度不斷加大，日益超出項目人員有限的能力所及范圍，而BIM 及其他一系列優(yōu)化技術(shù)、方法、工具提供了對復(fù)雜工程項目進行全面優(yōu)化的可能性。

3.2 BIM 技術(shù)的平臺作用

BIM 的精髓在于模型和信息，3D 模型是信息的載體，信息是模型的核心，信息依附于模型，模型是信息的展現(xiàn)形式，因此，BIM 模型中的信息才是模型所要展現(xiàn)的內(nèi)容。同時，BIM 貫穿于整個項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營的全生命周期，因此，全生命周期的項目參與者都可以通過統(tǒng)一模型來共享信息、協(xié)同工作。BIM 技術(shù)的信息處理功能為解決精益建造信息斷層、信息處理等難題提供了有力工具。BIM 與精益建造融合關(guān)系見圖1。

從圖1 可以看出，BIM 為精益建造理念下的并行工程、拉動式準(zhǔn)時生產(chǎn)(JIT)、價值管理、團隊合作等多方面提供了技術(shù)支持，為精益建造提供了信息平臺。

圖1 BIM 與精益建造融合關(guān)系圖

3.2.1 為并行工程的實施提供平臺

在精益建造過程中，并行工程的優(yōu)點在于能夠同時開展項目可研、采購、設(shè)計、施工、銷售等相互關(guān)聯(lián)的多項工作，以最短的工期、按業(yè)主方要求交付建筑產(chǎn)品。這個過程必然要求在扁平化的組織和信息系統(tǒng)平臺上進行，各階段主體的不同專業(yè)人員相互協(xié)作、共同工作，各項工作之間可視化、透明化，即時交流反饋工程進展、資源配置、過程狀態(tài)、成本費用等信息，共同研究問題和提出解決方案。方案一旦確定，負(fù)責(zé)勞動組織、材料與設(shè)備采購、施工技術(shù)的各部門都可以同時得到與方案相關(guān)的信息，進而按要求履行相應(yīng)的工作職責(zé)，從而大大縮短資源準(zhǔn)備、施工組織、技術(shù)交底等時間，加快工程進度。因此，并行工程實施的基礎(chǔ)是信息交流平臺。BIM 為項目開發(fā)方、采購方、設(shè)計方、施工方、銷售方、運維方提供了全新的信息交流平臺，項目參與各方可以直接看見設(shè)計成果，獲取依附于模型的項目建設(shè)信息，及時發(fā)現(xiàn)問題，并要求設(shè)計單位進行更改，因此設(shè)計成果更為精確。

3.2.2 通過碰撞檢查減少設(shè)計變更

目前，在建筑業(yè)中，設(shè)計變更十分常見，設(shè)計變更也給建筑業(yè)帶來了巨大浪費，甚至一些施工單位低價中標(biāo)后，通過設(shè)計變更實現(xiàn)自己的利潤目標(biāo)，這種現(xiàn)象十分不正常。BIM 通過預(yù)先在電腦上模擬項目建設(shè)的過程，及時發(fā)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計中存在的碰撞點，在施工前就完成設(shè)計變更，以減少施工完成后再對項目進行更改的現(xiàn)象。同時BIM 也可以實現(xiàn)對項目建設(shè)的提前預(yù)演，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，及時更正，實現(xiàn)項目建設(shè)的精益建造理念。

3.2.3 消除工程項目建設(shè)過程的浪費

資源浪費是我國建筑業(yè)的痼疾，而在現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的要求下，建筑業(yè)面臨的節(jié)能減排、消除浪費的壓力進一步增大。通過BIM 模型可以減少建筑業(yè)中的浪費現(xiàn)象。如通過設(shè)計階段的能耗分析，可以發(fā)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計方面的缺陷，及時改進設(shè)計。在施工階段，可以通過BIM 模型的數(shù)據(jù)，與供應(yīng)商確定準(zhǔn)確的資源需求，減少浪費，還可以通過協(xié)同多個工序的進度或空間位置，消除或減少等待、停滯、窩工等方面的浪費。

3.2.4 提升客戶價值

項目建設(shè)的主要目的是實現(xiàn)項目的價值，通過價值工程分析，實現(xiàn)成本與價值的提升，達到加快進度、節(jié)約成本的目的。但是由于各個施工階段的割裂，項目各參與方通常以自己的價值最大化為項目建設(shè)的目的，很難實現(xiàn)統(tǒng)一。利用BIM 技術(shù)平臺，各參與方可以根據(jù)BIM 模型進行充分溝通，共同為項目價值的提升而努力，達到節(jié)約造價、縮短工期和提高質(zhì)量的目的。

3.2.5 為項目團隊合作交流提供平臺

精益建造理念要求實施并行工程以達到降低浪費和提升價值的目的，實施并行工程就要求項目參與方以團隊的方式進行工作，團隊合作是精益建造的關(guān)鍵技術(shù)之一，實現(xiàn)團隊協(xié)作的基本前提就是實現(xiàn)項目團隊的信息共享。BIM 不單純是一個數(shù)據(jù)庫，BIM 的核心是信息，BIM 是一個含有豐富數(shù)據(jù)信息的信息庫，其具有涵蓋整個項目生命周期和涉及所有項目的專業(yè)信息，利用BIM三維可視化的平臺和數(shù)據(jù)共享的特點，在整個項目團隊中進行數(shù)據(jù)交換，就構(gòu)成了整個團隊交流合作的平臺。

3.2.6 為項目供應(yīng)鏈管理提供技術(shù)平臺

精益建造的一個顯著特點是準(zhǔn)時生產(chǎn)， “零浪費”是精益建造思想的終極境界，這是一種以零庫存或者最小庫存為追求目標(biāo)的生產(chǎn)組織與管理系統(tǒng)，其基本要求是“只在需要的時間，按需要的數(shù)量和質(zhì)量，生產(chǎn)所需的產(chǎn)品”。準(zhǔn)時生產(chǎn)方式通過對建筑供應(yīng)鏈的管理，消除材料設(shè)備的供貨延遲、施工現(xiàn)場的停工待料等浪費現(xiàn)象。BIM 對于建筑模型的模擬和優(yōu)化，實現(xiàn)了建筑信息的集成化、共享化，供應(yīng)鏈管理者可以根據(jù)附著于建筑模型的材料設(shè)備需求信息安排貨物采購供應(yīng)，滿足準(zhǔn)時生產(chǎn)對各類資源供應(yīng)的要求。

4 結(jié)語

精益建造是先進的建筑產(chǎn)品建造與管理的理念，核心要求是降低沒有價值的施工生產(chǎn)活動，追求零浪費、零庫存、零故障、零缺陷，提高管理效率，創(chuàng)新項目價值。精益建造理念的實現(xiàn)要求及時準(zhǔn)確地處理各種項目信息，對并行工程、消除浪費、價值提升、團隊協(xié)作、準(zhǔn)時供應(yīng)等方面的任務(wù)不斷進行精準(zhǔn)化提升。BIM 是以模型為載體、信息為核心的最新建筑技術(shù)，它所具有的強大而準(zhǔn)確的項目信息功能，為項目信息交流和協(xié)同工作提供了平臺，降低了項目建設(shè)過程中可能出現(xiàn)的錯誤和設(shè)計變更，促進了精益建造理念和目標(biāo)的實現(xiàn)。

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